CN116666833A - 一种动力电池热管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及动力电池技术领域,具体而言,涉及一种动力电池热管理系统,该系统包括电池箱、电池组、温度传感器、加热单元、散热单元、超级电容和控制器,电池组和所述超级电容分别与所述加热单元电连接,所述电池组和所述超级电容之间形成回路;所述控制器分别与所述温度传感器、所述加热单元、所述散热单元、所述电池组和所述超级电容电连接。与现有技术相比,本发明的动力电池热管理系统,采用电池组和超级电容配合的方式对加热单元进行供电,在严寒条件环境下,动力电池升温初期,使用耐低温的超级电容对加热单元进行供电,能够使电池组在升温的初期快速升温。此外,通过强制风冷、导热管及液体冷却流道的配合,极大地提高了电池组的散热效率。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池技术领域,具体而言,涉及一种动力电池热管理系统。
背景技术
随着新能源汽车技术的不断深入发展,新能源汽车已经成为世界上最具发展潜力和前景的产业之一。但是,新能源汽车所面临的动力电池热管理问题也日渐突出,严重影响着电池性能和电池安全,因此动力电池热管理系统已成为新能源核心技术之一。
由于在冬季启动车辆时会出现启动时间长、热响应慢等问题,动力电池热管理系统中的供热系统需要在短时间内迅速开始工作,使动力电池温度迅速升高,达到正常工作温度区间,满足驾驶需求。现有的动力电池热管理系统中的供热系统常常采用在动力电池上设置电热装置的方式供热,电热装置使用的电源一般为被加热的动力电池或单独设置的蓄电池,但是动力电池或蓄电池在严寒条件下,供电效率低下,使得动力电池升温初期升温较慢。此外,现有的动力电池热管理系统的升温和散热效率还有待进一步提高。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有的动力电池热管理系统在严寒条件下动力电池初期升温较慢、升温和散热效率较低等问题中的至少一种。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种动力电池热管理系统,包括电池箱、电池组、温度传感器、加热单元、散热单元、超级电容和控制器,所述电池组和所述超级电容分别与所述加热单元电连接,用于分别为所述加热单元供电,所述电池组和所述超级电容之间形成回路;所述控制器分别与所述温度传感器、所述加热单元和所述散热单元电连接。
优选地,所述电池组、所述超级电容和所述加热单元之间通过第一供电支路、第一开关、第二供电支路、第二开关、第三开关和供电主路连接,其中,所述电池组和所述第一开关位于所述第一供电支路上,所述超级电容和所述第二开关位于所述第二供电支路上,所述加热单元和所述第三开关位于所述供电主路上,所述控制器分别与所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关电连接。
优选地,所述散热单元包括风扇、液体冷却流道和导热件;所述电池组由多个单体电池组成,所述风扇设置于所述电池箱的第一侧壁上,所述液体冷却流道设置于所述电池箱的第二侧壁上,所述导热件设置于所述单体电池之间。
优选地,所述单体电池的轴向与水平方向一致,所述第一侧壁位于所述单体电池的轴向侧,所述第一侧壁与所述第二侧壁处于相邻的位置,且所述第二侧壁位于所述第一侧壁的上方。
优选地,所述加热单元包括半导体制冷片,所述半导体制冷片通过所述导热件与所述单体电池进行热量交换。
优选地,所述加热单元还包括电热片,所述电热片设置于所述单体电池轴向的两端。
优选地,所述液体冷却流道包括铜导管,所述铜导管中填充有包括水和乙二醇的冷却剂。
优选地,所述导热件设有多个。
优选地,所述导热件由铜制成。
优选地,所述控制器为单片机控制器。
与现有技术相比,本发明的动力电池热管理系统,采用电池组和超级电容配合的方式对加热单元进行供电,在严寒环境下,动力电池升温初期,使用耐低温的超级电容对加热单元进行供电,能够使电池组在升温的初期快速升温,当电池组温度到达预设温度后,可以将电池组作为加热单元的供电源;完成对电池组加热过程后,电池组还可以对超级电容提前储能,以供下次电池组升温初期使用,无需另外设置电源对超级电容进行储能。控制器分别与所述温度传感器、所述加热单元和所述散热单元,是为了实现动力电池热管理系统自动化控制,提高电池组的供热与散热效率。
附图说明
图1为本发明实施例中动力电池热管理系统去除电池箱后的内部结构图之一;
图2为本发明实施例中动力电池热管理系统去除电池箱后的内部结构图之二;
图3为本发明实施例中动力电池热管理系统整体结构图;
图4为本发明实施例中动力电池热管理系统中电池组、超级电容和加热单元之间形成的电路示意图;
图5为本发明实施例中的动力电池热管理系统中对电池组加热过程中电池组的温度随时间变化曲线;
图6为本发明实施例中动力电池热管理系统加热过程中电池组截面温度云图;
图7为本发明实施例和对比例中动力电池热管理系统散热效果的对比图;
图8为本发明实施例中动力电池热管理系统散热过程中电池组截面温度云图。
附图标记说明:
1-电池箱,201-风扇,202-液体冷却流道,203-导热件,3-电池组,301-单体电池,302-第一开关,4-加热单元,401-电热片,402-半导体制冷片,403-第三开关,5-超级电容,501-第二开关。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例,能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
如图1至图4所示,本发明实施例提供了一种动力电池热管理系统,包括电池箱1、电池组3、温度传感器、加热单元4、散热单元、超级电容5和控制器,所述电池组3和所述超级电容5分别与所述加热单元4电连接,用于分别为所述加热单元4供电,所述电池组3和所述超级电容5之间形成回路;所述控制器分别与所述温度传感器、所述加热单元4和所述散热单元电连接。
与现有技术相比,本发明的动力电池热管理系统,采用电池组3和超级电容5配合的方式对加热单元4进行供电,在严寒环境下,动力电池升温初期,使用耐低温的超级电容5对加热单元4进行供电,能够使电池组3在升温的初期快速升温,当电池组3温度到达预设温度后,可以将电池组3作为加热单元4的供电源;完成对电池组3加热过程后,电池组3还可以对超级电容5提前储能,以供下次电池组3升温初期使用,无需另外设置电源对超级电容5进行储能。控制器分别与所述温度传感器、所述加热单元4和所述散热单元电连接,是为了实现动力电池热管理系统自动化控制。
具体地,如图4所示,所述电池组3、所述超级电容5和所述加热单元4之间通过第一供电支路、第一开关302、第二供电支路、第二开关501、第三开关403和供电主路连接,其中,所述电池组3和所述第一开关302位于所述第一供电支路上,所述超级电容5和所述第二开关501位于所述第二供电支路上,所述加热单元4和所述第三开关403位于所述供电主路上,所述控制器分别与所述第一开关302、所述第二开关501和所述第三开关403电连接。动力电池升温初期,闭合第三开关403和第二开关501,断开第一开关302,超级电容5对加热单元4进行供电,能够使电池组3在升温的初期快速升温;当电池组3温度到达预设温度后,闭合第三开关403和第一开关302,断开第二开关501,将电池组3作为加热单元4的供电源;完成对电池组3加热过程后,闭合第一开关302和第二开关501,断开第三开关403,电池组3可以对超级电容4提前储能,以供下次电池组3升温初期使用,无需另外设置电源对超级电容4进行储能。示例性地,控制器采用单片机控制器。
散热效果的好坏也是评价动力电池热管理系统性能的重要因素,为了提高动力电池热管理系统的散热效果,本发明的实施例中,如图3所示,所述散热单元包括风扇201、液体冷却流道202和导热件203;所述电池组3设置在电池箱1内,由多个单体电池301组成,所述风扇201设置于所述电池箱1的第一侧壁上,所述液体冷却流道202设置于所述电池箱1的第二侧壁上。优选地,所述单体电池301的轴向与水平方向一致,所述第一侧壁位于所述单体电池301的轴向侧,所述第一侧壁与所述第二侧壁处于相邻的位置,且所述第二侧壁位于所述第一侧壁的上方,所述导热件203设置于所述单体电池301之间。电池箱1的第一侧壁和第二侧壁处可以具有开口或者为完全开放式结构,风扇201和液体冷却流道202对应设置在开口处或者直接相当于电池箱1的第一侧壁和第二侧壁,当需要对电池组3降温时,风扇201向单体电池301轴向吹风,使空气与单体电池301表面发生强制对流换热,得到的热空气由于密度小,会向上运动,单体电池301上方具有液冷通道,加之电池壳上方与液冷通道之间的结构较为紧密,可以使热空气充分流经液冷通道的凹槽,降低热空气的温度,而后利用轴流风扇背面吸风的特点,增大周围空气流速、减小压强,利用压强差,即可发生冷空气循环,以达到更快散热的目的。同时,导热件203能够加速单体电池301之间的热量转移,不仅有利于提高散热速度,还有利于实现单体电池301之间温度的均一性。
本发明的实施例中,所述液体冷却流道202包括铜导管,所述铜导管中填充有包括水和乙二醇的冷却剂。液体冷却流道202的散热原理是金属导管中填充的水和乙二醇作为冷却剂,与接收到的热空气发生热量交换,将热量充分带走,最终与设备外部环境进行换热,更好地提高散热效果。冷却剂可在保证较大比热容的同时,实现零下四十度环境不结冻,同时降低液体粘性,增强流动性,增加散热能力。液体冷却流道202凭借其导热系数较高,具有散热量大、冷却速度快,冷却效率高等优势。
本发明的实施例中,所述导热件203包括导热管,所述导热管绕设于所述单体电池301之间。例如,每根导热管采用缠绕方式依次经过不同的单体电池301,以促进单体电池301之间的热传递。优选地,导热管可以采用导热系数较高的材料制成,例如金属铜。本发明的实施例中,所述导热管设有多个,更有利于提高散热速度和实现单体电池301之间温度的均一性。
本发明的实施例中,如图3所示,所述加热单元4包括半导体制冷片402,所述半导体制冷片402通过所述导热件203与所述单体电池301进行热量交换。半导体制冷片402,也叫热电制冷片,是一种热泵。它的优点是没有滑动部件,应用在一些空间受到限制,可靠性要求高,无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的Peltier效应(帕尔帖效应),当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量。如图3所示,半导体制冷片402的一端面通过导热件203与单体电池301的侧面接触,当需要对电池组3进行加热时,可以通过调整供电电源极性,使半导体制冷片402与导热件203接触的端面为发热端,此时即可对电池组3进行加热;当需要对电池组3进行降温时,可以通过调整供电电源极性,使半导体制冷片402与导热件203接触的端面为制冷端,此时即可对电池组3进行降温。本发明的实施例中,所述加热单元4还包括电热片401,所述电热片401设置于所述单体电池301轴向的两端。
对本发明实施例提供的动力电池热管理系统的升温效果进行了实验验证及数值计算,得到的结果如图5和图6所示,从图5可以看出,电池组3的温度随着时间的变化,经过20s后可以从-30℃达到-5.5863℃,可见,使用本发明实施例提供的热管理系统对电池组进行升温,可以快速地满足锂电池工作对环境的要求。图6为本发明实施例中动力电池热管理系统加热过程中电池组截面温度云图。
对本发明实施例提供的动力电池热管理系统和对比例(与本发明实施例的区别仅在于散热单元中不包含导热管)提供的动力电池热管理系统散热效果进行实验验证及数值计算,得到的结果如图7和图8所示,由图7可以看出,本发明实施例中散热单元中包含导热管的情况下,风速为0.5m/s时,电池组最高温度波动为0.86K。由图7可以看出,对比例中散热单元不包含导热管的情况下,风速为1.5m/s时,电池组最高温度波动为3.89K。由此可见,电池组达到相同的最高温度时,添加导热管后,需要的风速由1.5m/s降低至0.5m/s,且添加导热管后电池组最大温差在1K以内,温度均一性明显提升,且减少了系统工作能耗。图8为本发明实施例中动力电池热管理系统散热过程中电池组截面温度云图。需要说明的是图7中“单一风冷”系列对应对比例,“本发明散热系统”系列对应本发明实施例。
另外,需要说明的是,虽然本发明公开披露如上,但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下,可进行各种变更与修改,这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种动力电池热管理系统,其特征在于,包括电池箱(1)、电池组(3)、温度传感器、加热单元(4)、散热单元、超级电容(5)和控制器,所述电池组(3)和所述超级电容(5)分别与所述加热单元(4)电连接,用于分别为所述加热单元(4)供电,所述电池组(3)和所述超级电容(5)之间形成回路;所述控制器分别与所述温度传感器、所述加热单元(4)和所述散热单元电连接。
2.根据权利要求1所述的动力电池热管理系统,其特征在于,所述电池组(3)、所述超级电容(5)和所述加热单元(4)之间通过第一供电支路、第一开关(302)、第二供电支路、第二开关(501)、第三开关(403)和供电主路连接,其中,所述电池组(3)和所述第一开关(302)位于所述第一供电支路上,所述超级电容(5)和所述第二开关(501)位于所述第二供电支路上,所述加热单元(4)和所述第三开关(403)位于所述供电主路上,所述控制器分别与所述第一开关(302)、所述第二开关(501)和所述第三开关(403)电连接。
3.根据权利要求1所述的动力电池热管理系统,其特征在于,所述散热单元包括风扇(201)、液体冷却流道(202)和导热件(203);所述电池组(3)由多个单体电池(301)组成,所述风扇(201)设置于所述电池箱(1)的第一侧壁上,所述液体冷却流道(202)设置于所述电池箱(1)的第二侧壁上,所述导热件(203)设置于所述单体电池(301)之间。
4.根据权利要求3所述的动力电池热管理系统,其特征在于,所述单体电池(301)的轴向与水平方向一致,所述第一侧壁位于所述单体电池(301)的轴向侧,所述第一侧壁与所述第二侧壁处于相邻的位置,且所述第二侧壁位于所述第一侧壁的上方。
5.根据权利要求3所述的动力电池热管理系统,其特征在于,所述加热单元(4)包括半导体制冷片(402),所述半导体制冷片(402)通过所述导热件(203)与所述单体电池(301)进行热量交换。
6.根据权利要求5所述的动力电池热管理系统,其特征在于,所述加热单元(4)还包括电热片(401),所述电热片(401)设置于所述单体电池(301)轴向的两端。
7.根据权利要求3所述的所述的动力电池热管理系统,其特征在于,所述液体冷却流道(202)包括铜导管,所述铜导管中填充有包括水和乙二醇的冷却剂。
8.根据权利要求3所述的动力电池热管理系统,其特征在于,所述导热件(203)设有多个。
9.根据权利要求3所述的动力电池热管理系统,其特征在于,所述导热件(203)由铜制成。
10.根据权利要求1所述的动力电池热管理系统,其特征在于,所述控制器为单片机控制器。
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